專利名稱：作為焰熔法生產藍寶石晶體之原料的氧化鋁粉末生產方法
技術領域：
本發明涉及氧化鋁粉末的生產方法，特別是用來作為焰熔法生產藍寶石晶體之原 料的氧化鋁粉末的生產方法，屬于氧化鋁粉末制備技術。
背景技術：
高純氧化鋁具有許多重要的用途，例如用作電子工業領域和光學工業領域的基礎 和絕緣材料，它通常可從鋁土礦中通過拜耳法得到。然而，用拜耳法從鋁土礦中提取的氧化 鋁在許多應用領域中卻不能滿足質量要求。例如，對于高性能的新型陶瓷，尤其是透明氧化 鋁，就需要使用高純氧化鋁原料來制備，要求原料純度達到99. 999 %以上或者更高。作為高純氧化鋁的一種，藍寶石晶體，即α -氧化鋁，它的重要用途之一是用作光 學工業領域的透明窗口材料。它是一種熔點為2040°C的簡單配位型氧化物晶體，屬于六方 晶系，硬度為9. OMohs，具有一系列獨特的物理、機械和熱學特性。藍寶石晶體在真空中，于 紫外光、可見光、近紅外光、中紅外光下均具有卓越的光學透過率，且與其它的窗口材料相 比，具有更好的機械性能和物理性能，被一直廣泛應用于紅外軍事裝備、衛星技術和空間技 術的儀表和高功率激光器中作為窗口材料。作為窗口級的藍寶石，摻雜元素是其不可或缺的性能調節劑。摻雜元素對藍寶石 晶體的主要作用表現為對晶體實現染色、提高晶體的抗熱震性、改善晶體的加工性能等。 對于染色特性而言，主要的致色元素有Fe3+、Ti4+、Co2+、V5+、Mn4+、Cr3+等。其中Fe3+、Co2+是 使藍寶石晶體呈現藍色的主要離子，Cr3+離子則使晶體呈現橙色或綠色，Mn4+離子可使晶體 呈現黃色。制備藍寶石晶體最常用的方法是焰熔法。其原理是利用氫和氧燃燒的火焰產生高 溫，使原料粉末通過火焰撒下熔融，并落在一個結晶桿或籽晶的頭部，逐漸生長形成藍寶石 晶體。作為焰熔法生產藍寶石晶體之原料的氧化鋁粉末，其常用的制備方法是硫酸鋁銨 熱解法。例如，制備用來生長藍寶石晶體的的氧化鋁粉末的基本工藝流程為
首先，將著色劑元素預先配置成溶于水的鹽溶液。如用硫酸鐵銨溶液作為向藍寶石晶 體中添加Fe3+離子的鹽溶液，用氟鈦酸銨溶液作為向藍寶石晶體中添加Ti4+的鹽溶液。接著，將上述用來著色的鹽溶液按照一定的體積或重量比加入到稱重好的高純硫 酸鋁銨粉末中混合攪拌均勻。隨后，將著色鹽溶液同硫酸鋁銨粉末的混合物加熱至200°C左右，保持恒溫2 4 小時進行脫水處理。之后，再將脫水所得粉末加熱至900 1100°C，煅燒時間2 3小時。最后，將煅燒后的粉末用120 200目的篩網分級，即可獲得用于焰熔法藍寶石晶 體的氧化鋁粉末原料。上述硫酸鋁銨熱解法制備氧化鋁粉末對應的化學反應式分別為 2NH4A1 (SO4) 2 · 12H20 — Al(SO4)3(MM)2SO4 + 24H20 ............... (1)Al (SO4) 3 (NH4) 2S04 — Al2O3 + SO3 + NH3 + H2O ............ (2)
Fe(SO4)3(MM)2SO4 — FeNH4 (SO4) 2 + 12Η20 ........................... (3)
FeNH4 (SO4) 2 — FeO + 2S03 + NH3 + H2O ..................... (4)
2Fe0 + O2 — Fe2O3 ......................................................... (5)
以上傳統工藝存在幾個缺陷其一，是在整個摻雜工藝流程中，很難做到摻雜元素在氧 化鋁粉末中的均勻分布，摻雜元素在氧化鋁粉末中的成分偏析較大。在隨后的焰熔法生產 藍寶石晶體時，這種成分偏析會導致晶體生長過程中的多種晶體生長缺陷；其二，是硫酸鋁 銨熱解法很難獲得真正高純的氧化鋁原料。熱解工藝中殘存的大量氟、硫離子，以及制備過 程中很難排除盡凈的鈉、鉀等離子，均會對藍寶石晶體的穩定生長造成干擾，以致在最終所 得藍寶石晶體中形成大量晶體缺陷，使晶體品質下降，加工性能劣化，甚至導致晶體爆裂， 可用率降低；其三，是熱解法生產過程中會有大量的三氧化硫廢氣排放，這些廢氣被排入大 氣中將帶來嚴重的環境污染問題。這一問題已經成為焰熔法藍寶石原料生產企業背負的巨 大包揪，直接影響到這些企業的生存和發展。
發明內容
針對上述問題，本發明目的在于提供一種氧化鋁粉末的生產方法。該方法所獲氧 化鋁粉末純度高，其工藝流程簡單，不產生廢氣排放等污染問題，綠色環保，其所制備的氧 化鋁粉末可以作為焰熔法生產藍寶石晶體的原料。為達至上述本發明目的，對于作為焰熔法生產藍寶石晶體之原料的氧化鋁粉末， 本發明采取了包括以下順序工藝步驟的生產方法
①熔化金屬鋁后將摻雜元素按照預先設定的比例投入熔融態的金屬鋁中，保持所得 熔體溫度為830 930°C。隨后，
②將步驟①所得熔體用霧化法進行粉碎，并在霧化過程中用高純水冷卻霧化后的粉 末，獲得粉漿。其后，
③濃縮步驟②所獲粉漿至濃度20 30%，隨即加熱使其保持在沸騰狀態至該粉漿轉 化為氫氧化鋁漿體。跟著，
④冷卻步驟③所得氫氧化鋁漿體至溫度40°C以下之后，對其進行初步脫水，接著進行 烘干脫水。然后，
⑤煅燒步驟④所得產物后，冷卻并對其進行粒度分級，分級所獲粒徑較小的粉末即可 作為焰熔法生產藍寶石晶體的氧化鋁粉末原料。上述氧化鋁粉末生產方法，其步驟①中的金屬鋁為鋁錠。該鋁錠的純度為 99. 993% 99. 999%。步驟①中盛放金屬鋁的容器為石墨坩堝。前述氧化鋁粉末生產方法，在其步驟①所言摻雜元素投入熔融態金屬鋁中之后于 830 930°C溫度下的保溫時間為0. 5 2小時。在該保溫過程中不斷攪拌所得熔體。步驟 ①中的摻雜元素選自Fe、Ti、Cr、Ni、Mn、Co、V之至少一種。其中，Fe的加入量占金屬鋁的 0. 001 0. 5at%，Ti的加入量占金屬鋁的0. 001 0. 3at%，Cr的加入量占金屬鋁的0. 001 3at%，Ni的加入量占金屬鋁的0. 001 0. 5at%，Mn的加入量占金屬鋁的0. 001 0. 5at%， Co的加入量占金屬鋁的0. 001 lat%，V的加入量占金屬鋁的0. 001 0. 2at%。前述氧化鋁粉末生產方法，其步驟②所言霧化粉碎使用壓縮空氣。該壓縮空氣的壓力為2 4MPa，流量為3 4m3/min。步驟②所說高純水的電阻率>10 ΜΩ · cm。前述氧化鋁粉末生產方法，其盛放步驟③所言粉漿的容器為搪瓷反應釜。步驟③ 所說沸騰狀態的溫度為95 100°C，該沸騰狀態的持續時間為48 72小時。前述氧化鋁粉末生產方法，其步驟④所說的初步脫水為離心脫水。步驟④所說烘 干脫水的溫度為280 350°C，該烘干脫水的時間為2 8小時。前述氧化鋁粉末生產方法，其盛放步驟⑤所言產物的容器為剛玉坩堝。步驟⑤所 言煅燒的溫度為900 1050°C，該煅燒的時間為2 4小時。步驟⑤所說的粒度分級采用 100 200目篩網。前述氧化鋁粉末生產方法，其步驟①中的金屬鋁為鋁錠。該鋁錠的純度為 99. 993% 99. 999%。步驟①中盛放金屬鋁的容器為石墨坩堝。在步驟①所言摻雜元素投 入熔融態金屬鋁中之后于830 930°C溫度下的保溫時間為0. 5 2小時。在該保溫過程 中不斷攪拌所得熔體。步驟①中的摻雜元素選自Fe、Ti、Cr、Ni、Mn、C0、V之至少一種。其 中，Fe的加入量占金屬鋁的0. 001 0. 5at%，Ti的加入量占金屬鋁的0. 001 0. 3at%，Cr 的加入量占金屬鋁的0. 001 3at%，Ni的加入量占金屬鋁的0. 001 0. 5at%，Mn的加入量 占金屬鋁的0. 001 0. 5at%，Co的加入量占金屬鋁的0. 001 lat%，V的加入量占金屬鋁 的0.001 0.2at%。步驟②所言霧化粉碎使用壓縮空氣。該壓縮空氣的壓力為2 4MPa， 流量為3 4m7min。步驟②所說高純水的電阻率>10 ΜΩ · cm。盛放步驟③所言粉漿的 容器為搪瓷反應釜。步驟③所說沸騰狀態的溫度為95 100°C，該沸騰狀態的持續時間為 48 72小時。步驟④所說的初步脫水為離心脫水。步驟④所說烘干脫水的溫度為280 350°C，該烘干脫水的時間為2 8小時。步驟⑤所言煅燒的溫度為900 1050°C，該煅燒 的時間為2 4小時。步驟⑤所說的粒度分級采用100 200目篩網。本發明的氧化鋁粉末生產方法，采用高純鋁直接水解生成高純氧化鋁粉末，其直 接水解的化學反應機理表現為下述化學反應式(6)、(7):
2A1 + 6H20 — 2A1 (OH) 3 + 3Η2 .................................... (6)
2Α1 (OH)3 — Al2O3 + 3Η20 .......................................... (7)
由于金屬態的單質鋁很容易在工藝上實現高純化，同時在高純鋁的水解過程中，無需 加入任何催化劑，從而保證了本發明氧化鋁粉末生產方法所獲氧化鋁粉末產品具有極高的 純度。該方法制備的氧化鋁粉末可以作為焰熔法生產藍寶石晶體的原料。作為焰熔法生產 藍寶石晶體的原料，氧化鋁粉末中需要加入的摻雜元素在金屬鋁熔煉階段便已投放完成， 并在該階段與金屬鋁形成固溶體，進而參與隨后金屬鋁的水解過程，因而在氧化鋁粉末中 摻雜元素的成分波動很小，使得摻雜元素在隨后的焰熔法生產藍寶石晶體的生長過程中可 以直接進入氧化鋁晶格，從而更有利于藍寶石晶體的穩定生長，使晶體生長時的缺陷明顯 減少。用該原料以焰熔法生長出的藍寶石晶體，其透明度更高，晶體顏色更加純凈，且晶體 中的氣泡、云霧、滑移、孿晶等晶體缺陷率大幅度減少。進一步地，由于藍寶石晶體生長時晶 體缺陷有效減少，生長應力也相應減小，這使得所生長的藍寶石梨晶棒體積得到有效擴大， 其橫向尺寸得以有效擴展，其縱向尺寸得以有效加長。本發明生產方法制備的氧化鋁粉末， 用來制備藍寶石晶體時，提升藍寶石晶體的可用率達到85%以上，所生長的藍寶石梨晶棒 尺寸可增大至直徑45 mm，長度100 120mm。本發明的氧化鋁粉末生產方法工藝流程簡 單，不產生廢氣排放等污染問題，綠色環保。
具體實施例方式下面結合實施例詳細描述本發明作為焰熔法生產藍寶石晶體之原料的氧化鋁粉 末生產方法。實施例1
首先，將純度為99. 993%的高純重熔精鋁錠20公斤放入中頻感應電爐的石墨熔煉坩堝 內熔化，再將占鋁錠重量0. 01at%的高純鐵屑(純度為99. 9%)及占鋁錠重量0. 001at%的高 純鈦屑(純度為99. 99%)放入熔煉坩堝內，保持所得熔體溫度為830°C，保溫2小時。保溫過 程中不斷攪拌該熔體。之后，將所得熔體導入霧化噴嘴內用壓縮空氣予以霧化粉碎，在霧化過程中用高 純水冷卻霧化后的粉末，獲得霧化粉漿。霧化條件為空氣壓力2MPa，空氣流量為3m7min。 冷卻所用高純水的電阻率為12 ΜΩ · cm。隨后，濃縮前述霧化所獲的粉漿至濃度20%，隨即導入搪瓷反應釜中，加熱使其保 持在95°C的沸騰狀態72小時，直至該粉漿轉化為氫氧化鋁漿體。然后，冷卻所得氫氧化鋁漿體至溫度40°C以下之后，將其移出搪瓷反應釜并進行 離心脫水，獲得潮濕的氫氧化鋁漿體，接著對所得氫氧化鋁潮濕漿體進行烘干脫水。烘干脫 水的溫度為280°C，時間為8小時。最后，將烘干脫水所得產物放入剛玉坩堝內，于90(TC溫度下煅燒4小時，冷卻后 對其用200目篩網進行分選，篩下物即為本發明氧化鋁粉末。用該粉末作為焰熔法生產藍寶石晶體的原料，所得藍寶石晶體的可用率達到 85. 5%，所生長的藍寶石梨晶棒尺寸可增大至直徑44. 6mm，等徑段長度105mm。實施例2
首先，將純度為99. 999%的高純重熔精鋁錠20公斤放入中頻感應電爐的石墨熔煉坩堝 內熔化，再將將占鋁錠重量2. 5at%的高純金屬鉻屑(純度99. 9%)及將占鋁錠重量0. 008at% 的高純鈦屑(純度99. 99%)放入熔煉坩堝內，保持所得熔體溫度為930°C，保溫0. 5小時。保 溫過程中不斷攪拌該熔體。之后，將所得熔體導入霧化噴嘴內用壓縮空氣予以霧化粉碎，在霧化過程中用高 純水冷卻霧化后的粉末，獲得霧化粉漿。霧化條件為空氣壓力4MPa，空氣流量為4m7min。 冷卻所用高純水的電阻率為12 ΜΩ · cm。隨后，濃縮前述霧化所獲的粉漿至濃度30%，隨即導入搪瓷反應釜中，加熱使其保 持在100°C的沸騰狀態48小時，直至該粉漿轉化為氫氧化鋁漿體。然后，冷卻所得氫氧化鋁漿體至溫度40°C以下之后，將其移出搪瓷反應釜并進行 離心脫水，獲得潮濕的氫氧化鋁漿體，接著對所得氫氧化鋁潮濕漿體進行烘干脫水。烘干脫 水的溫度為350°C，時間為2小時。最后，將烘干脫水所得產物放入剛玉坩堝內，于1050°C溫度下煅燒2小時，冷卻后 對其用200目篩網進行分選，篩下物即為本發明氧化鋁粉末。該粉末可作為焰熔法生產深 紅色剛玉晶體的原料。
權利要求
作為焰熔法生產藍寶石晶體之原料的氧化鋁粉末生產方法，包括以下順序工藝步驟① 熔化金屬鋁后將摻雜元素按照預先設定的比例投入熔融態的金屬鋁中，保持所得熔體溫度為830～930℃； ② 將步驟①所得熔體霧化粉碎，并在霧化過程中用高純水冷卻霧化后的粉末，獲得粉漿； ③ 濃縮步驟②所述粉漿至濃度20～30%，隨后加熱使其保持在沸騰狀態至所述粉漿轉化為氫氧化鋁漿體； ④ 冷卻步驟③所述氫氧化鋁漿體至溫度40℃以下之后，對其進行初步脫水，接著進行烘干脫水； ⑤ 煅燒步驟④所得產物后，冷卻并對其進行粒度分級。
2.根據權利要求1所述氧化鋁粉末生產方法，其特征在于，步驟①所述金屬鋁為鋁錠， 其純度為99. 993% 99. 999%，步驟①所述盛放所述金屬鋁的容器為石墨坩堝。
3.根據權利要求1或2所述氧化鋁粉末生產方法，其特征在于，在步驟①所述摻雜元 素投入所述熔融態金屬鋁中之后于所述830 930°C溫度下的保溫時間為0. 5 2小時，保 溫過程中不斷攪拌所得熔體，步驟①所述摻雜元素選自Fe、Ti、Cr、Ni、Mn、Co、V之至少一 種，所述Fe的加入量占所述金屬鋁的0. 001 0. 5at%，所述Ti的加入量占所述金屬鋁的 0. 001 0. 3at%，所述Cr的加入量占所述金屬鋁的0. 001 3at%，所述Ni的加入量占所述 金屬鋁的0. 001 0. 5at%，所述Mn的加入量占所述金屬鋁的0. 001 0. 5at%，所述Co的 加入量占所述金屬鋁的0. 001 lat%，所述V的加入量占所述金屬鋁的0. 001 0. 2at%。
4.根據權利要求1所述氧化鋁粉末生產方法，其特征在于，步驟②所述霧化粉碎使用 壓縮空氣，所述壓縮空氣的壓力為2 4MPa，所述壓縮空氣的流量為3 4m3/min，步驟② 所述高純水的電阻率>10 ΜΩ .cm。
5.根據權利要求1所述氧化鋁粉末生產方法，其特征在于，盛放步驟③所述粉漿的容 器為搪瓷反應釜，步驟③所述沸騰狀態的溫度為95 100°C，步驟③所述沸騰狀態的持續 時間為48 72小時。
6.根據權利要求1所述氧化鋁粉末生產方法，其特征在于，步驟④所述初步脫水為離 心脫水，步驟④所述烘干脫水的溫度為280 350°C，步驟④所述烘干脫水的時間為2 8 小時。
7.根據權利要求1所述氧化鋁粉末生產方法，其特征在于，盛放步驟⑤所述產物的容 器為剛玉坩堝，步驟⑤所述煅燒的溫度為900 1050°C，步驟⑤所述煅燒的時間為2 4小 時，步驟⑤所述粒度分級采用100 200目篩網。
8.根據權利要求1所述氧化鋁粉末生產方法，其特征在于，步驟①所述金屬鋁為鋁錠，其純度為99. 993% 99. 999%，步驟①所述盛放所述金屬 鋁的容器為石墨坩堝，在步驟①所述摻雜元素投入所述熔融態金屬鋁中之后于所述830 930°C溫度下的保溫時間為0. 5 2小時，保溫過程中不斷攪拌所得熔體，步驟①所述摻雜 元素選自Fe、Ti、Cr、Ni、Mn、Co、V之至少一種，所述Fe的加入量占所述金屬鋁的0. 001 0. 5at%，所述Ti的加入量占所述金屬鋁的0. 001 0. 3at%，所述Cr的加入量占所述金屬鋁 的0. 001 3at%，所述Ni的加入量占所述金屬鋁的0. 001 0. 5at%，所述Mn的加入量占所述金屬鋁的0. OOl 0. 5at%，所述Co的加入量占所述金屬鋁的0. 001 lat%，所述V的 加入量占所述金屬鋁的0. 001 0. 2at% ； 步驟②所述霧化粉碎使用壓縮空氣，所述壓縮空氣的壓力為2 4MPa，所述壓縮空氣 的流量3 4m7min，步驟②所述高純水的電阻率>10 ΜΩ · cm ；盛放步驟③所述粉漿的容器為搪瓷反應釜，步驟③所述沸騰狀態的溫度為95 100°C，步驟③所述沸騰狀態的持續時間為48 72小時；步驟④所述初步脫水為離心脫水，步驟④所述烘干脫水的溫度為280 350°C，步驟④ 所述 烘干脫水的時間為2 8小時；盛放步驟⑤所述產物的容器為剛玉坩堝，步驟⑤所述煅燒的溫度為900 1050°C，步 驟⑤所述煅燒的時間為2 4小時，步驟⑤所述粒度分級采用100 200目篩網。
全文摘要
本發明涉及氧化鋁粉末生產方法，它采用熔化高純鋁后經過霧化再經由水解的方式生成高純氧化鋁粉末。該方法制備的氧化鋁粉末產品具有極高的純度，用來作為焰熔法生產藍寶石晶體的原料，可以有效提高藍寶石晶體的透明度和顏色純凈度，大幅度地減小藍寶石晶體的缺陷率，使焰熔法所產藍寶石晶體的梨晶棒體積得以有效增大。該方法工藝流程簡單，不產生廢氣排放等污染問題，綠色環保。
文檔編號C01F7/30GK101941727SQ20101028098
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月14日 優先權日2010年9月14日
發明者李振亞 申請人:李振亞